Il cervello in biologia

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dalla tesina Ma cosa abbiamo in testa? di Elena Roma

Anatomia ed evoluzione generale

Nell’estremità superiore del nostro corpo, quella a cui spesso diamo meno importanza nonostante siamo costretti a vederla tutte le mattine allo specchio, si trova un organo molto particolare. Esso non pompa sangue nelle varie parti del corpo, non apporta ossigeno all’organismo, non digerisce ciò che mangiamo, eppure senza di esso tutte queste funzioni indispensabili alla vita non avverrebbero.
Il cervello è l’organo più complesso, interessante e misterioso del corpo, ma gli studi che ne approfondiscono la natura e il funzionamento sono relativamente recenti. Solo con tecniche di laboratorio di ultima generazione è, infatti, possibile addentrarsi nei suoi meandri e capirne di più. Le ricerche che si occupano di studiare il cervello non affrontano, però, l’argomento sotto lo stesso punto di vista. Possono essere individuati tre distinti settori:
Primo. studio dei neuroni e delle modalità di comunicazione tre di essi;
Secondo. studio delle reti neurali ognuna delle quali presiede alle funzioni sensoriali, motorie e di memorizzazione di esse;
Terzo. studio del meccanismo che da luogo all’emergere di funzioni che si concretizzano nel pensiero, nella memoria, nelle emozioni, nell’affettività e nella coscienza di queste funzioni.

Prima di approfondire queste modalità di ricerca è, però, bene dare uno sguardo d’insieme all’anatomia e all’evoluzione del cervello e dell’encefalo in genere.
Il cervello è ben inscatolato e protetto da un insieme di ossa piatte: il cranio. È formato da circa 100 miliardi di neuroni e da ancora più cellule di sostegno che formano due tipi di sostanze: la sostanza bianca, costituita dai prolungamenti dei neuroni (assoni e dendriti), e la sostanza grigia, detta anche corteccia cerebrale, che contiene i corpi cellulari ed è quella a cui si associano le funzioni come la vista, l’udito e il movimento.
L’encefalo dei vertebrati si è evoluto a partire da tre rigonfiamenti ancestrali presenti all’estremità anteriore del midollo spinale dette prosencefalo, mesencefalo e romboencefalo. Esse si sono evolute secondo tre tendenze: l’aumento delle dimensioni dell’encefalo in proporzione al il resto del corpo, l’ulteriore suddivisone di queste tre parti e l’aumento della capacità di elaborazione del prosencefalo. L’evoluzione secondo queste tre linee guida ha portato alla struttura e alle funzioni dell’encefalo attuale.
Al nostro stadio di evoluzione il cervello vero e proprio è una parte del prosencefalo insieme al talamo, un centro che smista i segnali da inviare al cervello, e all’ipotalamo, una ghiandola endocrina.
Il cervello rimane comunque la parte più grande e sofisticata dell’encefalo ed è costituito da un emisfero destro e da uno sinistro che collaborano insieme grazie a una spessa banda di fibre nervose dette corpo calloso. Ogni emisfero è suddiviso in quattro lobi: temporale, frontale, parietale e occipitale.

Possiamo ora addentarci nell’analisi di ognuna delle tre branche che studiano questo organo.

Studio dei neuroni e della comunicazione tra di essi

Un neurone è un particolare tipo di cellula formata da un corpo cellulare e da due tipi di prolungamenti: l’assone e i dendriti. I dendriti sono corti, molto ramificati e hanno la funzione di ricevere i segnali nervosi. L’assone, invece, unico e molto più lungo, invia il segnale ad altri neuroni o ad una cellula effettrice tramite i bottoni sinaptici. Essi sono i punti di arrivo dell’impulso nervoso che può passare alla cellula successiva rimanendo sotto forma di segnale elettrico oppure trasformandosi in segnale chimico cioè in sostanze dette neurotrasmettitori.

IMPULSI NERVOSI

Ma cos’è un impulso nervoso? E come viaggia all’interno del cervello?
Un impulso nervoso è una modificazione del potenziale elettrico che si instaura tra un lato e l’altro della membrana del neurone e che si propaga con una reazione a catena. Per capire questa definizione è necessario analizzare le condizioni in cui si trova un neurone a riposo, cioè che non sta trasmettendo segnali. Esso è caratterizzato da un potenziale di membrana cioè da una differenza di carica elettrica tra i due lati della membrana. Il citoplasma ha, infatti, carica negativa mentre il liquido extracellulare è positivo. La membrana quindi, tenendo le due cariche separate, immagazzina energia potenziale.
La carica negativa all’interno del citoplasma è dovuta alla presenza di proteine in soluzione ed altre molecole organiche che sono, appunto, negative, ma non solo. Esiste, infatti, un sofisticato sistema di canali e pompe, costituito da proteine di membrana, che regola il passaggio di ioni inorganici come quelli del sodio (Na+) e del potassio (K+).
In un neurone a riposo la membrana permette l’entrata di ioni Na+ in ridottissime quantità e lascia diffondere all’esterno ioni K+. In questo modo, però, la differenza di potenziale aumenterebbe sempre di più e per mantenerla costante ad un determinato livello c’è bisogno di una particolare proteina di membrana chiamata pompa sodio-potassio che fa si che rimanga sui livelli di -70 millivolt. Essa fa entrare nella cellula ioni K+ e fa uscire ioni Na+ per trasporto attivo.
Quando un neurone viene sottoposto a uno stimolo, che può essere rappresentato da una scossa elettrica, da una pressione sulla cellula o da un’improvvisa variazione di temperatura, apre i canali del sodio e diventa quindi permeabile agli ioni Na+ che diffondono all’interno.
Questo provoca un’inversione di polarità: all’interno vi è un eccesso di carica positiva e all’esterno una carenza. La membrana raggiunge così un potenziale di circa +40 millivolt detto potenziale d’azione o, più semplicemente, impulso nervoso. Ciò avviene in un determinato punto della membrana, ma le modificazioni che avvengono qui influiscono sull’equilibrio della parte a esso adiacente dando origine a una reazione a catena e facendo propagare l’impulso nervoso.
Una volta che il potenziale d’azione è “passato” da quel punto, la pompa sodio-potassio si riattiva e riporta il potenziale di membrana a -70 mV.
La risposta agli stimoli è del tipo “tutti o nulla” nel senso che gli impulsi non variano l’intensità a seconda che lo stimolo sia stato lieve o forte. La nostra percezione di queste caratteristiche dello stimolo dipende quindi dalla frequenza dell’impulso e non dalla sua intensità.
Una volta che l’impulso è giunto a una sinapsi si trasforma, il più delle volte, in una sostanza chimica detta neurotrasmettitore. Il più diffuso è l’acetilcolina. I dendriti del neurone post-sinaptico possiedono dei recettori chimici ai quali si lega il neurotrasmettitore. Questo legame modifica il grado di permeabilità agli ioni Na+ della membrana cellulare post-sinaptica e permette la trasmissione di un impulso da un neurone all’altro.

Studio generale delle reti neurali

Per quanto riguarda lo studio delle reti neurali, il secondo settore di ricerca, bisogna partire innanzitutto spiegando che cos’è una rete neurale. Essa è un insieme di neuroni interconnessi che ha specifici compiti e varia la sua configurazione in base agli stimoli esterni. Per esempio una rete neurale può essere deputata a ricevere ed elaborare segnali provenienti degli occhi ed essere quindi associata al senso della vista.
In questo senso la nostra corteccia cerebrale è stata suddivisa in varie zone in base alla funzione da esse svolta. Ogni emisfero cerebrale ha quattro lobi distinti e ognuno di essi svolge più funzioni. Nel lobo frontale sinistro, per esempio, vi è un’area di associazione, una motoria e una del linguaggio.
Una rete neurale è un sistema molto complesso e sofisticato che permette di avere più risposte differenti ad un unico stimolo. Per questo motivo l’informatica e lo studio di sistemi cercano in tutti i modi di riprodurre una rete di questi tipo, ma è in realtà un’impresa titanica.

Studio di funzioni come memoria, pensiero ed emozioni (le funzioni del sistema limbico)

Il terzo settore di studi ha avuto un notevole sviluppo soprattutto negli ultimi anni. Con le recenti tecniche di analisi, infatti, si può osservare quale sia l’area che “lavora” di più del cervello in base all’afflusso di sangue ed associare questa zona ad un determinato tipo di emozioni.
Questo livello di studi ci ha permesso di individuare l’origine degli istinti di base nel sistema libico: un’unità funzionale costituita da numerosi centri di integrazione e da aree neurali interconnesse. Questo sistema fa si che, ad esempio, ricevendo uno stimolo esterno noi possiamo associare quello stimolo a dei ricordi. Da qui derivano i nostri istinti. Insomma, molti studiosi ritengono che si possa individuare questo sistema come quella parte di noi che per decenni non ha trovato sistemazione organica: quella che Freud chiamava inconscio.

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